Optische Isolation in der Hochspannung Wenn Standard-Faseroptik bei kritischer HV-Anwendung versagt

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Statt einer statistischen Performance-Streuung ermöglicht die Active Alignment Technology eine 100-prozentige Link-Konsistenz für kritische HV-Anwendungen. Koordinierte Tx/Rx/Kabel-Charakterisierungen ersetzen aufwendige Komponentenselektionen. Hardware-Entwickler erhalten eine definierte elektro-optische Performance für jeden einzelnen Link.

Hardware-Entwickler sehen sich bei der galvanischen Trennung von Hochspannungs- und Steuerkreisen mit wachsenden Schwierigkeiten konfrontiert. Konventionelle Isolationsmethoden wie Optokoppler oder Isolationstransformatoren stoßen bei steigenden Spannungen und Frequenzen an ihre Grenzen. Faseroptische Datenlinks bieten dagegen grundsätzlich überlegene Eigenschaften: vollständige elektrische Isolation, Immunität gegen elektromagnetische Störungen sowie hohe Übertragungsbandbreiten bei niedrigen Signalverlusten.

Das zentrale Problem in der praktischen Implementierung liegt jedoch in der Konsistenz der elektro-optischen Performance zwischen individuellen Komponenten. Toleranzen bei optischen Transmittern, Receivern und Faserkabeln führen bei konventioneller Integration zu statistischen Schwankungen der Link-Performance, die besonders in sicherheitskritischen Hochspannungsanwendungen problematisch sind.

Die dielektrische Konstruktion faseroptischer Technologien macht sie besonders geeignet für Hochspannungsanwendungen. „Die dielektrische Konstruktion und optische Isolation von faseroptischen Techniken erlauben den Einsatz für Hochspannungsanwendungen. Dazu gehören Vorteile wie erhöhte Sicherheit, Widerstand gegen Hochspannungsdurchschläge, hohe Bandbreitenfähigkeiten bei geringen Signalverlusten, Immunität gegen elektromagnetische Interferenzen und Widerstand gegen Umweltfaktoren“, erklärt William Heath, Commercial Director beim britischen Unternehmen OMC.

Wachsender Strombedarf treibt HV-Anwendungen

Globale Trends beschleunigen die Nachfrage nach entsprechenden Lösungen: der zunehmende Einsatz von KI und cloudbasierten Diensten mit energieintensiven Rechenzentren, mehr E-Fahrzeuge, Wärmepumpen und das rapide Wachstum erneuerbarer Energiequellen. Laut einem neuen Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA) wird die globale Stromnachfrage voraussichtlich bis 2026 mit einem Anstieg um 3,3 % im Jahr 2025 und 3,7 % im kommenden Jahr – mehr als doppelt so schnell wie das Gesamtenergienachfrage-Wachstum im gleichen Zeitraum.

Das Konsistenz-Problem in der Praxis

Während Hochspannungsanwendungen wie Netzteile und Energieverteilungsnetze von optischer Isolation profitieren können, erweist sich eine konsistente Performance in faseroptischen Datenlinks für viele Anbieter als Problem. Vor allem die Toleranz-Verkettung zwischen drei kritischen Komponenten: dem optischen Transmitter mit Schwankungen in Ausgangsleistung und Kopplungseffizienz, dem faseroptischen Kabel mit Variationen in Dämpfung und Kerngeometrie, sowie dem optischen Receiver mit Streuungen in Empfindlichkeit und spektraler Antwort.

OMC kann auf 40 Jahre Erfahrung in der Produktion von Glas- und Polymer-Faseroptik-Kabelkonfektionen mit proprietärer Active Alignment Technologie bauen. Während der Fertigung optischer Transmitter und Receiver werden die aktiven Elemente eingeschaltet und die Performance des Geräts abgestimmt, um sicherzustellen, dass die elektro-optischen Charakteristiken jedes einzelnen Geräts in ein kundenspezifisches Performance-Fenster fallen und exakt der geforderten Leistungsspezifikation entsprechen.

Systemintegration von Kabeln und Tx/Rx

Bei der Fertigung der entsprechenden optischen Faserkabelkonfektionen sorgen spezielle Produktionstechniken für ein sehr hohes Maß an Konsistenz der Link-Dämpfung, die auf das Tx/Rx-Performance-Fenster abgestimmt ist. Das bedeutet, dass jeder Link für die gesamte Auslegungslebensdauer funktionieren kann, unabhängig davon, wie Transmitter, Receiver und Kabel während der Montage/Installation gepaart werden.

Die meisten Hersteller optischer Faserkabel behandeln nicht den Transmitter/Receiver-Teil des Links. Nur wenige Tx/Rx-Anbieter sind Spezialisten für faseroptische Kabelkonfektionen“, erklärt Heath. „Wir haben die Erfahrung gemacht, dass sich die meisten Kunden nicht in einen dieser Bereiche einarbeiten wollen: Sie haben einfach ein elektrisches Signal an Punkt A und wollen einen Link, der es in ein optisches Signal umwandelt, überträgt und an Punkt B sicher, zuverlässig und konsistent von Link zu Link zurück in ein elektrisches Signal konvertiert.“

Das Problem ist besonders deutlich in Hochspannungsanwendungen, wo Toleranzen sehr eng sein können. „Ein Mangel an Konsistenz zwischen Transmitter-, Receiver- und Kabelcharakteristiken bedeutet, dass Kunden oft einen langwierigen und kostspieligen Selektionsprozess durchlaufen müssen, um ausreichend komplette Links für eine Serienproduktion zu erhalten“, sagt Heath weiter.

„OMC hat sich auf die Herstellung von Tx/Rx-Geräten und faseroptischen Kabelkonfektionen für die Verbindung zwischen ihnen spezialisiert. Durch die Anpassung unserer bestehenden Technologien an jede Anwendung können wir Serienmengen vollständig charakterisierter faseroptischer Links mit 100-prozentiger Link-Konsistenz für führende Hersteller von Hochspannungsgeräten liefern. Diese werden im Nahverkehr, Energieerzeugung und -verteilung, Medizintechnik sowie Radar- und Röntgenanwendungen eingesetzt.“ (heh)

Rekord bei Glasfaserübertragung

800 GBit/s über einen einzelnen Kanal

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